DE4222967C2

DE4222967C2 - NC-Drehmaschine zum Erzeugen von Unrund-/Ballig-Geometrien an Drehteilen

Info

Publication number: DE4222967C2
Application number: DE4222967A
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Kuebler; Martin Dr Hoffmann
Original assignee: Diedesheim Maschf GmbH
Current assignee: Hueller Hille GmbH
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2012-07-14
Also published as: EP0578977A1; US5419223A; EP0578977B1; DE4222967A1

Description

Die Erfindung betrifft eine NC-Drehmaschine zum Erzeugen von Unrund-/Ballig-Geometrien an Drehteilen mit einer Werkstückspindel (C-Achse) sowie einer Quer- (X-Achse) und einer Längsmaschinenachse (Z-Achse) als Werkzeugach sen und mit einem als Arm ausgebildeten, an seinem freien Ende Drehwerkzeuge tragenden Werkzeugträger, wobei eine hochdynamische, regelbare zusätzliche Werkzeugachse einer Bearbeitungseinheit als programmierbarer NC-gesteuerter Rotationsantrieb zum Erzeugen der Unrund-/Ballig-Geome trien der Drehteile vorgesehen ist, mit einem zusammen mit einem rotatorischen Meßsystem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Drehstrom-Servomotor, dessen Welle parallel zur Achse der Werkstückspindel verläuft und die mit dem Werkzeugträger in Antriebsverbindung steht.

Aufgrund von Wärmeeinwirkungen auf den Kolben von Maschi nen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, ist es er forderlich, Kolben ballig und unrund an ihrer äußeren Mantelfläche herzustellen. Diese Unrundheit hat bisher meist einen regelmäßigen mathematischen Verlauf. Bei spielsweise ergibt sich als Bewegungsverlauf für einen Taststift, der am Kolbenmantel anliegt bei einer Kolben umdrehung ein sin²x-förmiger Bewegungsablauf. Üblicher weise ändert sich entsprechend der Kolbenhöhe die Ampli tude der Unrundheit, aber nicht ihre mathematische Form. Der Kolbenwerkstoff ist vorzugsweise eine Aluminiumlegie rung. Je nach Anwendung ist es auch üblich, im Ringbe reich des Kolbens einen Ringträger in den Kolben ein zugießen.

Die Bearbeitung der Kolbenmantelflächen erfolgt dabei üb licherweise auf Drehmaschinen. Dabei wird der Kolbenman tel zunächst vorgedreht. Danach wird auf einer weiteren Maschine die Fertigbearbeitung des Kolbenmantels durchge führt. Hierbei wird die Unrundheit und Balligkeit angear beitet. Die Spantiefe beträgt wenige 1/10 mm. Als Schneidstoffe kommen im Aluminiumbereich PKD (Polykristalliner Diamant) und im Ringträgerbereich HM (Hartmetall) zum Einsatz.

Die Fertigbearbeitung der Kolbenmantelflächen wird auf NC-Maschinen mit einer zusätzlichen mechanischen Ko piereinheit durchgeführt. Dabei rotiert synchron zum Werkstück ein Meisterkolben (CAM), wobei mit einer an ei nem Tastarm befestigten Schneide die CAM-Geometrie auf das Werkstück übertragen wird. Hierbei liegen die Dreh zahlen üblicherweise im Bereich bis zu ca. 1500 min^-1.

Die neuesten Entwicklungen streben an, auf den Meister kolben ganz zu verzichten und die Schnittgeschwindigkei ten zu optimieren.

Durch die DE 37 30 762 A1 ist eine NC-Drehmaschine zum Er zeugen von Unrund-/Ballig-Geometrien an Drehteilen ent sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 vorbe kannt. Die Zustellbewegung des Werkzeuges soll in zwei überlagerte Bewegungen aufgegliedert werden. Mit der einen Bewegung wird die Balligkeit erzeugt, mit der zwei ten überlagerten Bewegung (schnelle Achse) die Ovalität. Der X-Achse mit rotatorischem Antrieb sind Getriebeglie der (Gelenksystem) zugeordnet.

Der DE 40 31 091 A1 sind hochdynamische Bearbeitungseinhei ten mit hydrostatischen Lagern als vorbekannt zu entneh men.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine NC-Drehma schine der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 voraus gesetzten Art dahingehend zu verbessern, daß ohne mecha nische Zwischenglieder nur über eine Zustellbewegung des Werkzeuges die Balligkeit und die Ovalität erzeugt wer den.

Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 wiedergege benen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Balligkeit und die Ovalität über nur eine Zustellbewegung des Werkzeuges erzeugt.

Außerdem kann erforderlichenfalls während der Bearbeitung die X-Achse mechanisch festgeklemmt werden, um eine hö here dynamische Steifigkeit während der Bearbeitung zu erreichen.

Durch die Verwendung nur einer Achse in X-Richtung ver ringert sich der Fehler, der durch die Verwendung von NC- Achsen verursacht wird (Positionsstreubreite; Positions sicherheit).

Bei der Erfindung wird die X-Achse nur als Zustellachse zum Anfahren der Unrund-Bearbeitungseinheit auf die Bear beitungsposition benötigt. Irgendwelche zwischengeschal teten mechanischen Getriebeglieder werden nicht benötigt. Dadurch ergibt sich eine geringe Massenträgheit, hohe dy namische Steifigkeit, hohe Eigenfrequenz des Systems bei gleichbleibender Übertragungsgenauigkeit, so daß sich keine Übertragungsfehler durch mechanische Zwischenglie der ergeben können. Außerdem ist eine hohe Bearbeitungs frequenz möglich.

Die hohe Dynamik der Zusatzachse erlaubt Bewegungsfre quenzen bis 100 Hertz. Damit kann sich die Drehzahl der zu bearbeitenden Werkstücke, z. B. Kolben, bis auf 3000 min^-1 erhöhen. Die gegenüber den herkömmlichen Verfahren erhöhte Drehzahl erlaubt es, die verwendeten Schneid stoffe wirtschaftlicher zu nutzen. Ebenso verkürzt sich die Bearbeitungszeit der Werkstücke durch die erhöhte Schnittgeschwindigkeit und den schnellen Werkzeugwechsel. Der Werkzeugwechsel erfolgt durch die Verwendung der zur Verfügung stehenden NC-Bearbeitungsachse.

Entgegen der herkömmlichen Kopiermethode sind bei dem be schriebenen Verfahren keine Meisterkolben (Cam) mehr er forderlich. Dadurch wird im Zusammenhang mit der Program mierbarkeit dieser Zusatzeinrichtung die Flexibilität we sentlich erhöht und die Umrüstzeit deutlich verringert. Durch den Entfall des Meisterkolbens und der mechanischen Abtast- und Übertragungseinheit entfallen verschleißbe haftete und verschmutzungsgefährdete Elemente.

Damit steigt die Prozeßsicherheit. Weiterhin wird durch den Entfall der mechanischen Abtast- und Übertragungsein heit die Zugänglichkeit zur automatischen Werkstückbela dung verbessert.

Der Verzicht auf verschleißbehaftete mechanische Bauele mente bei der Ausführung der NC-Unrundbearbeitungseinheit gewährleistet auf Dauer eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine "Zusatzeinrichtung", die auf eine beliebige NC-Ma schine adaptiert werden kann. Die Vorrichtung hat eine NC-gesteuerte Achse. Aufgrund besonderer Anforderungen dieser Achse (Regelverhalten, Genauigkeit, Dynamik) kann die NC-Maschine die Steuerung der Bearbeitungseinheit nicht übernehmen. Deshalb wird eine eigene Steuerung für die erfindungsgemäße Vorrichtung beigestellt. Diese ei gene Steuerung wird elektrisch von einer schnellen Signalprozessorkarte gesteuert. Die Signalprozessorkarte erfaßt über drei Meßsysteme die absolute Lage der Schneide am Werkstück, z. B. an einem Kolben. Aus einer auf der Karte abgelegten Matrix, auf der die Geometrieda ten des zu bearbeitenden Kolbenmantels abgelegt sind, wird der nächste Lagesollwert in Abhängigkeit des abge bildeten Istwertes geholt und an den Lageregler auf der Karte gegeben. Der Lageregler bildet einen neuen Strom sollwert für den nachgeschalteten Antriebsverstärker.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Pa tentansprüchen 2 und 3 beschrieben.

In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch - an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Bearbeitungseinheit gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine teilweise Stirnansicht bei der Bearbei tungseinheit gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die an eine NC-Drehmaschine angebaute Bearbeitungseinheit gemäß der Erfindung;

Fig. 4 die Vorderansicht zu Fig. 3;

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung der Steuerung für die Bearbeitungs einheit gemäß der Erfindung, und

Fig. 6 die Anordnung von Einzelkomponenten als Blockbild.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Welle bezeichnet, die an ihrem einen Ende einen Bund 2 aufweist, der über ein hy drostatisches Achsiallager 3 und über im Abstand zu dem hydrostatischen Achsiallager 3 und zueinander eben falls beabstandeten hydrostatischen Radiallagern 4 und 5 gelagert ist.

Mit dem Bezugszeichen 6 ist ein rotatorisches Meßsystem bezeichnet, während 7 einen hochdynamischen integrierten Drehstrom-Servomotor bezeichnet. Sowohl die Welle 1, de ren Achsiallager 3 und Radiallager 4 und 5, das rotatori sche Meßsystem 6 und der Drehstrom-Servomotor 7 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet.

Die Welle 1 ragt an ihrem dem Bund 2 entgegengesetzten Endabschnitt 9 um ein begrenztes Maß aus dem gemeinsamen Gehäuse 8 heraus und ist in diesem Bereich mit einem Ver bindungsarm 10 versehen, das einen Schneidenträger 11 aufweist, der mehrere auswechselbare Werkzeugschneiden 12, 13, 14 und 15 (Fig. 2) trägt. Die Anzahl der Werk zeugschneiden 12 bis 15 kann größer oder kleiner als dar gestellt sein.

Mit 25 ist ein Werkzeugmaschinenschlitten bezeichnet.

Die horizontale Maschinenachse ist mit X und die verti kale Maschinenachse mit Z bezeichnet (Fig. 2).

Das Gehäuse 8 und damit die Bearbeitungseinheit gemäß der Erfindung ist über eine Adapterplatte 26 an einem Schlit ten 16 der Werkzeugmaschine durch Schrauben oder derglei chen lösbar befestigt.

Das Bezugszeichen 17 bezeichnet ein zu bearbeitendes Werkstück, z. B. einen Kolben, während 18 und 19 Späne fallschächte, 16 ein Horizontalschlitten und 21 einen Vertikalschlitten darstellen. Mit 22 ist eine Abstütz pinole und mit 23 einen Werkstückaufnahme sowie mit 24 eine Hauptspindel bezeichnet.

Das Bearbeitungsverfahren mit einer Bearbeitungseinheit gemäß der Erfindung läuft wie folgt ab:

Die Bearbeitungseinheit wird an dem Schlitten einer NC- Drehmaschine angebracht. Zum Bearbeiten fährt die hori zontale Maschinenachse X über die Bearbeitungseinheit auf das Maß A (Fig. 2) an das Werkstück 17 heran. Der in die Bearbeitungseinheit integrierte Drehstrom-Servomotor 7 erzeugt ein Drehmoment und hält bzw. bewegt über den Ver bindungsarm 10 die Werkzeugschneiden 12, 13, 14 und 15. Durch die Drehbewegung des Werkstücks 17, das Verfahren der vertikalen Maschinenachse Z und die NC-gesteuerte Be wegung der Werkzeugschneiden 12, 13, 14 und 15 kann die gewünschte Kolbenmantelfläche erzeugt werden.

Zum schnellen Wechsel der in Eingriff befindlichen Schneiden 12, 13, 14 und 15 ist der Verbindungsarm 10 aus seiner in Fig. 2, oben, mit ausgezogenen Linien gezeigten Stellung in die untere, gestrichelte Position zu schwen ken oder das Maß A zu ändern, z. B. A 1/2 oder A 3/4. Die Anordnung der Schneiden 12, 13 und 14 erlaubt es, das Werkstück 17 in gleicher Drehrichtung weiter zu bearbei ten.

Aus Fig. 5 ist die Steuerungsprinzipskizze zu ersehen. Elektrisch wird die Einheit von einer schnellen Signal prozessorkarte gesteuert. Die Signalprozessorkarte erfaßt über drei Meßsysteme die absolute Lage der Schneiden 12, 13, 14 und 15 am Werkstück 17. Aus einer auf der Karte abgelegten Matrix, in der die Geometriedaten des zu bear beitenden Werkstückes, z. B. eines Kolbenmantels, abgelegt sind, wird der nächste Lagesollwert in Abhängigkeit des gebildeten Istwertes geholt und an den Lageregler auf der Karte gegeben. Der Lageregler bildet einen neuen Strom sollwert für den nachgeschalteten Antriebsverstärker.

Von den Einzelkomponenten des Antriebssystems für die Be arbeitungseinheit wird der Motor, die Mechanik und das Meßsystem, also der mechanische Aufbau erfindungsgemäß auf den Anwendungsfall angepaßt, z. B. zum Kolbendrehen.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist in die Steuerung ein schneller Regelrechner auf der Basis eines Signalprozes sors, z. B. TMS 320 C 30 mit I/O-Schnittstelle integriert. Grundsätzlich sind derartige hochdynamische Antriebe in Z: "Technische Rundschau 1991, Nr. 2, S. 40-44, "Komplexer und schneller Signalprozessor zur Regelung hochdynamischer Antriebe" erläutert.

Regelstrategien zur Regelung hochdynamischer Antriebe, die Kupplung der Bewegungsachsen sowie die Schnittstellen um Umrichter (Strom- oder Momentenschnittstelle) und zur überlagerten Steuerung (VME, 24) sind allgemein bekannt. Auch Umrichter (elektrische Stellen) sind Stand der Tech nik. Die Sollwerterzeugung hängt vom jeweiligen Anwen dungsfall ab.

Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen, und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Er findung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Welle
2 Bund
3 Axiallager, hydrostatisches
4 Radiallager, hydrostatisches
5 Radiallager, hydrostatisches
6 Messystem, rotatorisches
7 Drehstrom-Servomotor, hochdynamischer
8 Gehäuse, gemeinsames
9 Endabschnitt
10 Verbindungsarm
11 Schneidenträger
12 Werkzeugschneide
13 Werkzeugschneide
14 Werkzeugschneide
15 Werkzeugschneide
16 Horizontalschlitten
17 Werkstück
18 Spänefallschacht
19 Spänefallschacht
20 -
21 Vertikalschlitten
22 Abstützpinole
23 Wergstückaufnahme
24 Hauptspindel
25 Werkzeugmaschinenschlitten
26 Adapterplatte
A Maß
X X-Achse, horizontale
Z Z-Achse, vertikale

Claims

1. NC-Drehmaschine zum Erzeugen von Unrund-/Ballig- Geometrien an Drehteilen mit einer Werkstückspin del (C-Achse) sowie einer Quer- (X-Achse) und ei ner Längsmaschinenachse (Z-Achse) als Werkzeugach sen und mit einem als Arm ausgebildeten, an seinem freien Ende Drehwerkzeuge tragenden Werkzeugträ ger, wobei eine hochdynamische, regelbare, zusätz liche Werkzeugachse einer Bearbeitungseinheit als programmierbarer NC-gesteuerter Rotationsantrieb zum Erzeugen der Unrund-/Ballig-Geometrien der Drehteile vorgesehen ist, mit einem zusammen mit einem rotatorischen Meßsystem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Drehstrom-Servomotor, dessen Welle parallel zur Achse der Werkstückspindel ver läuft und die mit dem Werkzeugträger in Antriebs verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugträgerarm (10) unmittelbar als Schwenkarm mit einem Endabschnitt (9) der Welle (1) des Drehstrom-Servomotors (7) verbunden ist und daß die Lagerung der Welle (1) aus zwei zueinander beabstandeten hydrostatischen Radiallagern (4, 5) und einem hydrostatischen Ach siallager (3) besteht.

2. NC-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bearbeitungseinheit über ein Adapterstück (26) mit der Drehmaschine verbunden ist, derart, daß die Längsachse des Werkzeugträger arms (10) orthogonal zur Längsachse einer Abstütz pinole (22) für das Werkstück (17) verläuft, wobei das Adapterstück (26) mit einem Ho rizontalschlitten (16) der Werkzeugmaschine ver bunden ist, der seinerseits auf einem Vertikal schlitten (21) horizontal verschieblich geführt ist.

3. NC-Drehmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß am Werkzeugträgerarm (10) wenig stens zwei Drehwerkzeuge (Schneiden - 12, 14) ein ander gegenüberliegend angeordnet sind.